. p v pv
4. NHIỆT CẮT KHI TIỆN.
Quá trình tạo phoi và thoát phoi khỏi vùng cắt trong quá trình cắt làm xuất hiện một lượng nhiệt nhất định. Lượng nhiệt này sinh ra do sự chuyển đổi từ công cắt gọt. Thực nghiệm chứng tỏ rằng gần như tất cả công cần thiết trong quá trình cắt đều chuyển biến thành nhiệt trừ công biến dạng đàn hồi và công kín (công để biến
dạng mạng tinh thể và các bề mặt lớn). Khoảng gần 98% công này chuyển hoá thành nhiệt tổng cộng phát sinh sau một phút gia công và có thể tính theo công thức sau: . 427 z cg P v Q = [Kcal/ph] (1.1)
Trong đó: Pz - thành phần lực cắt tiếp tuyến. v - tốc độ cắt.
Nhiệt lượng cắt được định nghĩa như là lượng nhiệt được sinh ra trong quá trình cắt sau một phút. Đó chính là công suất nhiệt khi cắt. Còn lượng nhiệt có trên một đơn vị thể tích hay khối lượng của vật thể được cắt gọi là nhiệt lượng đơn vị (Cal/cm3; Cal/g).
Nhiệt lượng sinh ra khi cắt làm nóng chi tiết gia công, phoi và dụng cụ cắt. Nhiệt độ tại các điểm khác nhau có sự tác động của lượng nhiệt khác nhau và gọi là nhiệt độ cắt tức thời của các điểm khối lượng khảo sát trong vùng cắt. Trung bình cộng đại số của nhiệt độ các điểm khối lượng của phoi gọi là nhiệt độ trung bình của phoi. Tương tự ta có nhiệt độ trung bình của dụng cụ và chi tiết gia công. Nhiệt độ trung bình trên các bề mặt tiếp xúc của vật liệu gia công và vật liệu cắt gọi là nhiệt độ cắt, qui ước gọi tắt là nhiệt cắt.
* Nguồn gốc của nhiệt cắt.
Như trên đã phân tích rõ ràng để tách được phoi và thắng được ma sát khi cắt ta cần có lực cần thiết tác động vào chi tiết gia công tạo ra công cắt gọt và gần như hầu hết công này chuyển biến thành nhiệt. Công này chính là để thực hiện quá trình biến dạng và thắng ma sát khi cắt. Do vậy ta có thể nói rằng nguồn gốc của nhiệt cắt là biến dạng và ma sát khi cắt. Qcg = Qbd + Qms (1.2)
Khi gia công cắt gọt ta có thể phân định vùng cắt thành các vùng biến dạng và ma sát. Do vậy nhiệt sinh ra từ 4 nguồn:
+ Vùng tạo phoi.
Nhiệt sinh ra do công ma sát giữa các phần tử của vật liệu gia công trong quá trình biến dạng: Qdh
Nếu xem vùng tạo phoi như là một mặt trượt duy nhất thì qua nghiên cứu lượng nhiệt này có thể xác định qua biểu thức sau:
1. . 427 c c dh P v Q = (1.3)
Trong đó: Pc - lực theo phương trượt vc1 - vận tốc trượt.
+ Vùng tiếp xúc của phoi và mặt trước dao.
Nhiệt sinh ra do công biến dạng đàn hồi và ma sát ngoài Qdm. Lượng nhiệt xuất hiện trên mặt trước dao là do 2 nguồn, do tác dụng của lực ma sát trong ở lớp vật liệu phoi gần sát mặt trước trống lại biến dạng đàn hồi và lực ma sát ngoài trên mặt tiếp xúc.
+ Vùng tiếp xúc của mặt sau dao và mặt cắt của chi tiết gia công.
Nhiệt sinh ra do sự chuyển đổi công ma sát Qms
+ Nhiệt sinh ra do công đứt phoi Qdp
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến quá trình cắt khi tiện.
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công.
Độ chính xác gia công khi cắt gọt được quyết định bởi vị trí tương quan giữa dao và chi tiết gia công trong quá trình cắt. Do vậy sự biến dạng về nhiệt của dao và chi tiết gia công do ảnh hưởng của nhiệt khi cắt được quan tâm khảo sát.
Về quá trình trao đổi nhiệt, ta biết rằng nếu cung cấp một lượng nhiệt Q cho một vật có thể tích V (cm3), tỷ nhiệt c (J/kg.0K), khối lượng riêng γ (kg/cm3), thì độ tăng của nhiệt độ của vật thể được xác định:
0
Q
θ = ( ) c.γ.V K
∆ (1.4)
Độ thay đổi chiều dài L theo phương nào đó của vật thể là:
ΔL = α.Δθ.L (mm) (1.5)
Như vậy nếu ta xét trường hợp khi tiện một chi tiết có được đường kính là D theo thiết kế trên bản vẽ, nếu nhiệt lượng truyền vào cho chi tiết là Qct thì nhiệt độ trên chi tiết sẽ tăng lên một lượng ∆θ xác định và đường kính của chi tiết sẽ thay đổi một lượng là ∆D:
ΔD = α.Δθ.D (mm) (1.6)
Mặt khác, nhiệt lượng Qd truyền vào dụng cụ cũng sẽ làm cho dụng cụ tăng chiều dài về phía tâm chi tiết. Khác với chi tiết, vật liệu trên dao là không đồng nhất giữa phần cắt và phần cán dao, do vậy sự biến dạng của dao theo chiều dài dưới tác dụng của nhiệt cắt phức tạp hơn rất nhiều. Ở đây ta phải khảo sát biến dạng dài của dao trong mối quan hệ phức hợp:
d
L = f(L,F,σ ,v,s,t...)
∆ (1.7)
trong đó:
F - là tiết diện thân dao σd - là độ bền vật liệu dao. v,s,t - là chế độ cắt.
Sau quá trình cắt, khi chi tiết về nhiệt độ thường, đường kính thực tế của chi tiết gia công sẽ là:
t
D = D - (α.Δθ.D + ΔL) (1.8)
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến chất lượng bề mặt gia công.
Chất lượng bề mặt đã gia công của chi tiết được đặc trưng bởi độ nhấp nhô bề mặt và tính chất cơ - lý lớp sát bề mặt. Nhiệt cắt có ảnh hưởng chủ yếu đến sự thay đổi tính chất cơ - lý lớp bề mặt chi tiết gia công.
Ta biết rằng, khi kim loại bị đốt nóng đến một nhiệt độ nào đó thì tổ chức kim tương của chúng sẽ thay đổi. Sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi về cơ - lý tính của kim loại. Mặt khác, trong quá trình cắt sự tăng giảm đột ngột về nhiệt độ trên bề mặt gia công kết hợp với sự dao động của lực cắt sẽ tạo nên ứng suất dư và vết nứt tế vi trên lớp kim loại sát trên bề mặt, đồng thời trên đó kim loại cũng bị biến cứng hay hoá bền. Nói chung các ảnh hưởng này đều theo chiều hướng bất lợi cho yêu cầu về cắt gọt.
* Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến khả năng làm việc của dao.
Những kết quả nghiên cứu về cắt gọt cho thấy rằng khi cắt kim loại, đặc biệt khi cắt ở tốc độ cao thì yếu tố quyết định lớn nhất đến khả năng cắt của dao đó là nhiệt cắt, tiếp đến mới là ma sát.
Khả năng cắt gọt của dao được đánh giá bởi tuổi bền dao thông qua việc xác định độ lớn của các dạng mài mòn dao cụ thể.
Dưới tác dụng của nhiệt khi cắt vật liệu của dao sẽ có sự thay đổi về tính chất cơ - lý - hoá, đặc biệt độ cứng, độ bền giảm, tính chống mòn cũng giảm... dẫn đến mài mòn dao nhanh chóng, hậu quả là thời gian sử dụng dao vào cắt gọt giảm, dao nhanh chóng mất khả năng cắt gọt.
Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của dao, còn ảnh hưởng đáng kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ.
4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt cắt khi tiện.
* Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt.
Các tính chất về cơ học và nhiệt của vật liệu gia công có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt cắt. Nhiệt cắt thấp hơn khi gia công hợp kim so với khi gia công thép nhờ khả năng biến dạng nhỏ hơn của hợp kim.
Có thể nhận xét một cách tổng quát rằng khi cắt vật liệu giòn do công biến dạng rất bé và lực cắt đơn vị không đáng kể nên nhiệt cắt thấp hơn khi cắt vật liệu dẻo. Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt cắt càng lớn do có
quan hệ với công biến dạng. Nhiệt cắt cơ bản phụ thuộc vào nhiệt dung và đặc biệt phụ thuộc vào tính chất dẫn nhiệt của vật liệu gia công và vật liệu làm dao.
Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến nhiệt cắt trong điều kiện thí nghiệm cắt với a=1mm, b=1mm và v=1m/ph được biểu thị bằng hằng số thực nghiệm Cθ.
* Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến nhiệt cắt.
Vật liệu làm dao cũng có đặc tính tương tự như vật liệu chi tiết gia công. Loại vật liệu dao nào có tính dẫn nhiệt tốt thì khi cắt nhiệt cắt sẽ thấp và ngược lại. Yếu tố quyết định của dao về cao thấp của nhiệt cắt sinh ra là cấu trúc thành phần hoá học của vật liệu xác định tính tương đồng hoá học của nó với vật liệu gia công, mặt khác là lý tính của nó như tính dẫn nhiệt và hệ số ma sát. Ảnh hưởng của tính dẫn nhiệt sẽ tăng khi tăng tốc độ cắt, giảm góc cắt, giảm chiều dày phoi. Với tốc độ cắt thấp thì ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt nhỏ.
Kích thước thân dao cũng có ảnh hưởng như vậy đến nhiệt cắt vì nó ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt của dụng cụ cắt. Kích thước càng lớn thì nhiệt sinh ra khi cắt càng thấp.
* Ảnh hưởng của tốc độ cắt.
Trong các yếu tố cắt thì tốc độ cắt là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt cắt. Khi tăng tốc độ cắt thì nhiệt cắt lúc đầu tăng nhanh, sau khi đã đạt được độ lớn nhất định thì cường độ tăng chậm lại và đường cong của hàm số phụ thuộc θ = f(v) gần tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và tốc độ cắt theo công thức sau: . x
v
C vθ
θ
θ =
Giá trị số mũ xθ phụ thuộc vào vật liệu gia công và vùng vận tốc cắt. Khi v =15-45 m/ph thì xθ = 0,5 đối với gia công thép
và xθ = 0,35-0,45 đối với gia công gang. Khi v = 45-180 m/ph thì xθ = 0,23 đối với gia công thép và xθ = 0,18 đối với gia công gang.
* Ảnh hưởng của chiều dày cắt.
Khi tăng lượng chạy dao áp lực của phoi trên dao tăng, công ma sát trên mặt trước tăng, nhiệt cắt ở vùng biến dạng bậc nhất tăng, tuy nhiên hệ số co rút phoi giảm, tổng công biến dạng cho một đơn vị thể tích giảm, điều kiện truyền nhiệt tốt hơn vì chiều dày phoi lớn lên và diện tích tiếp xúc giữa dao và phoi được mở rộng, nhiệt cắt vì vậy có tăng nhưng không tăng nhanh như khi tăng tốc độ cắt.
Bằng thực nghiệm ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt và chiều dày cắt theo công thức sau: . y
a
C aθ
θ
θ =
Chiều dày cắt ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với vận tốc cắt. Khi tăng chiều dày a hay lượng chạy dao s thì nhiệt cắt tăng nhưng không phải tăng tuyến tính.
Giá trị trung bình của số mũ yθ từ thực nghiệm: Đối với thép: yθ = 0,3; gang: yθ = 0,2.
* Ảnh hưởng của chiều rộng cắt.
Chiều rộng cắt b (hay chiều sâu cắt t) có ảnh hưởng đến nhiệt cắt ít hơn so với lượng chạy dao.
Khi tăng chiều sâu cắt, một mặt tải trọng trên một đơn vị chiều dài lưỡi cắt không đổi, mặt khác khi tăng t do φ không đổi nên chiều dài phần làm việc của lưỡi cắt tuy có tăng nhưng điều kiện truyền nhiệt tốt hơn. Kết quả là nhiệt cắt thay đổi ít.
Từ kết quả thực nghiệm ta thiết lập được mối quan hệ giữa nhiệt cắt θ và chiều rộng cắt b như sau . z
b
C bθ
θ
θ = . Ta có đối với thép: zθ = 0,05-0,14 đối với gang zθ = 0,04
* Ảnh hưởng của các thông số hình học dao.
Góc nghiêng chính φ, bán kính mũi dao R cũng ảnh hưởng tới độ lớn của nhiệt cắt, ta dễ dàng nhận biết qua sự thay đổi của chiều dày cắt a và chiều rộng cắt b dẫn đến sự thay đổi mức độ biến dạng và khả năng tản nhiệt.
Để đặc trưng các ảnh hưởng này đến nhiệt cắt ta dùng các hệ số điều chỉnh nhiệt cắt Kφθ và KRθ.
Ngoài ra sự mài mòn của dụng cụ làm thay đổi hình dáng hình học phần cắt và góc độ dao cũng làm cho nhiệt cắt thay đổi. Nói chung dụng cụ càng bị mòn thì nhiệt cắt tăng. Dung dịch trơn nguội tưới vào vùng cắt khi cắt sẽ làm cho nhiệt cắt giảm nhanh vì ngoài tác dụng làm nguội, dung dịch còn có tác dụng bôi trơn giảm đáng kể ma sát trong quá trình cắt. Tuy nhiên cần phải chọn phương pháp và lưu lượng tưới phù hợp thì mới tăng hiệu quả giảm nhiệt.
4.3. Ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến nhiệt cắt.
Dung dịch trơn nguội có ảnh hưởng rất lớn tới nhiệt cắt. Dung dịch trơn nguội có tác dụng:
- Giảm ma sát trong vùng tạo phoi, giảm ma sát giữa phoi với mặt trước của dao, giữa phôi với mặt sau của dao... do đó sẽ làm giảm nhiệt cắt.
- Tải nhiệt ra khỏi vùng cắt, hạn chế tác dụng xấu của nhiệt độ đối với dụng cụ cắt. Đảm bảo nhiệt độ làm việc của môi trường thấp và ổn định. Giúp vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt dễ dàng.